Silicijev usmernik (SCR): tiristor – definicija, delovanje in uporaba

Silicijev usmernik (SCR) je vrsta tiristorja. Je štirislojna polprevodniška naprava za krmiljenje toka. SCR so enosmerne naprave: tok prevajajo samo v eni smeri. Običajno se lahko SCR sprožijo le s tokovi, ki gredo v vrata.

Definicija in zgradba

SCR (ang. silicon-controlled rectifier) je triodna ali natančneje štirislojna (p–n–p–n) polprevodniška naprava z enim vhodnim elektrodnim priključkom za krmiljenje (vrata, gate), anodo in katodo. V osnovi deluje kot stikalo, ki ga lahko vklopimo s kratkim pulzom na vratih, nato pa ostane v vodljivem stanju dokler tok skozi napravo ne pade pod določeno raven (imejmo v mislih pojma latching in holding toka).

Delovanje in glavne značilnosti

Usmerjanje toka: SCR prevaja le v eni smeri (od anode proti katodi) in v obratni smeri deluje kot visoka upornost (oz. blokira tok), dokler ni presežena območje preboja.
Tri osnovna stanja: obratno blokiranje (reverse blocking), napredno blokiranje (forward blocking) in vodilno stanje (forward conduction) po sprožitvi).
Sprožitev: kratek tok ali napetostni impulz na vratih povzroči prehod iz blokirajočega v vodilno stanje, če je napetost med anodo in katodo v dopustnem območju. Parametra, ki opredeljujeta občutljivost sprožitve, sta Igt (gate trigger current) in Vgt (gate trigger voltage).
Zaklepanje: Ko je SCR sprožen, se zaklene (latch) v prevodni stanju; da ga izklopimo, moramo tok skozi napravo zmanjšati pod holding tok ali izvajati izklop zunanjo komutacijo (npr. pri AC teče tok naravno skozi ničle).
Občutljivost na dv/dt: hitra sprememba napetosti lahko povzroči nehoteno sprožitev, zato se pogosto uporabljajo RC snubber mreže za zaščito.
Toplotno upravljanje: SCR pri veliki moči sprošča veliko toplote, zato jih običajno namestimo na hladilnik in pazimo na nazivno tokovno ter napetostno zmogljivost.

Načini sprožitve in izklopa

Sprožimo jih lahko z enim ali kombinacijo naslednjih načinov:

direktni signal na vratih (puls toka ali napetosti),
dv/dt ali termično sproženje (neželeno, zato se mu izognemo),
komutacija zunanjo zanko (pri napetostnih pretvornikih in vezjih, kjer tok preusmerimo ali zmanjšamo),
pri izmeničnem toku se SCR običajno izklopi avtomatično, ko tečeči tok v ciklu pade pod holding vrednost (preko ničle AC).

Električne specifikacije, ki jih je treba poznati

Vdrm/VRRM – maksimalna reverzna blokirna napetost,
Vtm – napetost padec v vodilnem stanju pri določeni tokovni vrednosti,
It(av) – nazivni povprečni tok (običajno za pulzne in trajne vrednosti),
Igt – tok na vratih za sprožitev,
Ilatch in Ihold – latching in holding tokovi (pomembni za pravilno upravljanje),
dv/dt – največja dovoljena hitrost spremembe napetosti med anodo in katodo brez neželene sprožitve.

Uporaba

SCR se pogosto uporabljajo v napravah za nadzor velike moči in v aplikacijah kjer se zahteva zanesljivo stikalo velikega toka. Primeri uporabe:

kontrolirani usmerjevalniki — pretvarjanje izmeničnega toka (AC) v enosmerni tok (DC) z nadzorom izhodne napetosti in toka;
krmiljenje moči v industrijskih regulatorjih, zlasti pri visokonapetostnem prenosu enosmernega toka in v velikih napajalnikih;
nadzor motorjev in omrežna regulacija hitrosti;
zatemnitve svetilk in fazni nadzor (doseganje deleža energije z zamikom sprožitve v AC ciklu);
varilni aparati, kjer SCR omogočajo natančen nadzor toka pri visokih vrednostih (glej varilne naprave);
indukcijski grelci, nadzor polnilnih naprav in še druge aplikacije za velik tok in napetost.

Varnost in zaščita

SRC-ji potrebujejo ustrezne hladilnike in termično zaščito, ker pregrevanje vodi v odpoved.
zaščita pred prevelikim tokom (odstotne varovalke, omejevalniki toka) in pred prenapetostjo (RC snubber, tranzientni varovalniki) je nujna.
pri pulznih in hitrih aplikacijah je treba upoštevati omejitve dv/dt in uporabe zaščitnih filtrov, sicer pride do lažnega sproženja ali poškodbe.

Primerjava z drugimi napravami

SCR se primerja z drugimi polprevodniškimi stikali, kot so GTO, IGBT ali TRIAC. Prednosti SCR so visoka zmožnost prenosa toka in dobra ekonomičnost pri zelo visokih močeh. Slabosti so, da se jih v osnovi teže izklopi (potreben padec toka pod holding) in so občutljivi na dv/dt. IGBTi so hitrejši in lažje krmiljeni pri visokih frekvencah, medtem ko je TRIAC primeren za dvosmerni nadzor AC pri nižjih močeh.

Zaključek

Silicijev usmernik (SCR) je robustna in učinkovita naprava za krmiljenje velike moči, še posebej primerna za aplikacije, kjer je potreben nadzor DC ali veliki tokovi AC/DC pretvorb. Pri načrtovanju vezij s SCR je pomembno upoštevati latching/holding tokove, dovolitve dv/dt, toplotno upravljanje in ustrezne zaščitne elemente, da zagotovimo zanesljivo in varno delovanje.

Silicijev krmiljeni usmernik